一種基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)車(chē)控制系統設計方案

　　隨著(zhù)現代汽車(chē)的快速發(fā)展，汽車(chē)電子設備不斷增加，傳統的接線(xiàn)方式已遠遠不能滿(mǎn)足汽車(chē)愈加復雜的控制系統要求，汽車(chē)控制局域網(wǎng)CAN總線(xiàn)應運而生，它廣泛應甩于汽車(chē)電子控制系統中，也是唯一一個(gè)成為國際標準的汽車(chē)局域網(wǎng)。

　　目前，由于環(huán)境污染和能源危機問(wèn)題日益嚴重，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展開(kāi)始得到各國的高度重視，成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主流方向。電動(dòng)汽車(chē)主要具有三大關(guān)鍵技術(shù)：驅動(dòng)控制系統、電池電源、整車(chē)電子控制系統。整車(chē)電子控制系統必須滿(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)的設計理念，使之既節能又簡(jiǎn)單可靠。在目前電池技術(shù)水平下，解決兩大關(guān)鍵技術(shù)，有助于電動(dòng)汽車(chē)在中國首先市場(chǎng)化，其經(jīng)濟意義不言而喻。 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統結構復雜多樣，部件類(lèi)型繁多。先進(jìn)高效的控制體系結構，可以使電動(dòng)汽車(chē)各動(dòng)力系統之間的數據交換滿(mǎn)足簡(jiǎn)單迅速、可靠性高、抗干擾能力強、實(shí)時(shí)性好、系統錯誤檢測和隔離能力強等要求。

　　本文設計了一種基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)電子控制系統，本系統采用短幀的報文結構，數據傳輸時(shí)間短，具有很強的抗干擾性，具有高效的非破壞總線(xiàn)仲裁，出錯檢測和故障自動(dòng)關(guān)閉等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 控制系統整體結構

　　電動(dòng)車(chē)控制系統由電池管理、充電機、電動(dòng)機和整車(chē)控制等模塊組成。本系統總體結構如圖1所示。

　　由圖1知，CAN通信網(wǎng)絡(luò )上共有4個(gè)通信節點(diǎn)。整車(chē)控制器接收BMS、CCS、電機控制器的報文提供的各種參數;充電機接收BMS發(fā)送的控制信息并根據報文數據的電壓電流設置來(lái)工作;電機控制器接收BMS發(fā)送的電池狀態(tài)信息設置來(lái)工作，同時(shí)電機控制器接收由整車(chē)控制器發(fā)送的控制信息并根據報文數據的轉矩設置來(lái)工作。

　　2 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的硬件電路設計

　　CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫(xiě)，是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。在當前的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統之間通信所用的數據類(lèi)型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線(xiàn)構成的情況很多，線(xiàn)束的數量也隨之增加。為適應"減少線(xiàn)束的數量"、"通過(guò)多個(gè)LAN,進(jìn)行大量數據的高速通信"的需要，1986年德國電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過(guò)ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標準化，現在在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的標準協(xié)議?，F在，CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫療設備、工業(yè)設備等方面?，F場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現為分布式控制系統實(shí)現各節點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數據通信提供了強有力的技術(shù)支持。

　　整車(chē)控制節點(diǎn)是基于STM32F103VE設計的。ARMCortex TM-M3是一款高性能、低成本、低功耗的32位BISC處理器，可在高達72 MHz的頻率下運行，擁有512 KB的片內Flash程序存儲器，具有64 KB的RAM數據存儲器，可進(jìn)行高性能的CPU訪(fǎng)問(wèn)。該徽控制器包含1個(gè)USB2.0全速(12 Mb/s)設備、1路CAN2.0B通道、1個(gè)通用DMA控制器、3個(gè)16位的A/D轉換器和1個(gè)16位的D/A轉換器。同時(shí)該微控制器具有4個(gè)16位捕獲/比較定時(shí)器和1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，因此ARM cortexTM-M3可以滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)控制的需要，減少了系統硬件設計的復雜度。STM32F103VE支持J-Link實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，內部搭載有1通道的支持CAN20.B規格的CAN控制器，使得CAN通信模塊的設計更加方便。整車(chē)控制節點(diǎn)硬件電路圖如圖2所示，由徽控制器STM32F103VE、 CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250、2個(gè)高速光耦16N137等組成。

　　STM32F103VE采用單電源供電，時(shí)鐘由8 MHz外部晶振產(chǎn)生。對Flash存儲器的編程通過(guò)J-Link進(jìn)行編程(IAR)實(shí)現。STM32F103VE內部集成一路CAN控制器，簡(jiǎn)化了傳統單片機外接CAN控制器和CAN收發(fā)器的復雜外圍電路。收發(fā)器82C250是CAN控鑭器和物理總線(xiàn)之問(wèn)的驅動(dòng)器接口，它可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對 CAN控制器的差動(dòng)接收能力，其位速度高達1Mb/s,與ISO11898標準兼容。它的斜率控制功能使電磁兼容性能增強，準備模式可以減少網(wǎng)絡(luò )的功耗，準備模式中，網(wǎng)絡(luò )一旦檢測到總線(xiàn)上有報文就會(huì )被立即激活。同時(shí)，它可提供更強抗干擾能力，以及有熱保護、短路保護、支持多達110個(gè)節點(diǎn)等好處。

　　在微控制器和CAN總線(xiàn)收發(fā)器之間，采用了2個(gè)高速光電耦合器6N137進(jìn)行電氣隔離，防止將總線(xiàn)干擾引入系統，提高了系統的可靠性。同時(shí)，在節點(diǎn)端部接有1個(gè)120 Ω終端匹配電阻，提高了數據通信的抗干擾性。

　　3 CAN通信協(xié)議的設計

　　根據ISO/OSI模型，CAN總線(xiàn)規范了只制定了數據鏈路層中的媒體訪(fǎng)問(wèn)子層和一小部分的邏輯鏈路控制子層，CAN的ISO標準規定了總線(xiàn)及驅動(dòng)器的電氣特性。因此需要根據自己的需求設計通信協(xié)議。

　　CAN協(xié)議標準2.0B的數據幀的ID長(cháng)度為29位，為擴展格式數據幀結構，如圖3所示。

　　數據幀由幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC段、ACK段、幀結束組成。協(xié)議的設計是對標識符和數據位的定義。

　　本系統協(xié)議的設計參照SAEJ1939協(xié)議標準，標識符分配為優(yōu)先級(P)、保留位(R)、數據頁(yè)(DP)、代碼域(PF)、目標域(PS)、源地址(SA)和數據域(DF)7個(gè)部分。根據需求定義了5個(gè)報文，報文標識符定義如表1所示。

　　整車(chē)控制器的節點(diǎn)地址為OxA7;BMS節點(diǎn)地址為OxE4;CCS節點(diǎn)地址為OxE5;電機控制器節點(diǎn)地址為OxE6.

　　根據實(shí)際需求，設計了5個(gè)報文，分別為：BMS發(fā)給CCS和電機控制器的2個(gè)報文，CCS和電機控制器發(fā)給整車(chē)控制器的2個(gè)報文，整車(chē)控制器發(fā)給電機的報文。根據信息的重要程度，將電機控制器和整車(chē)控制器間的報文設計為最高優(yōu)先級3,其他報文優(yōu)先級設計為6.